EP0783101A2 - Process and apparatus for optical concentration measurement of fine dust in a medium - Google Patents

Process and apparatus for optical concentration measurement of fine dust in a medium Download PDF

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EP0783101A2
EP0783101A2 EP96810881A EP96810881A EP0783101A2 EP 0783101 A2 EP0783101 A2 EP 0783101A2 EP 96810881 A EP96810881 A EP 96810881A EP 96810881 A EP96810881 A EP 96810881A EP 0783101 A2 EP0783101 A2 EP 0783101A2
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EP
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grain size
measured
scattered light
light
polarizer
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EP96810881A
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Erich Huber
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SIGRIST AG DR
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means

Definitions

  • the invention relates to a method for optical concentration measurement of fine dust in a medium, with a light source and means for measuring scattered light.
  • the invention also relates to a device for optical concentration measurement of fine dust according to the preambles of claims 13 and 14.
  • a method and a device for the optical measurement of particles suspended in a gas have become known from the applicant's CH-A-536 490. Methods and devices of this type have been in operation and in particular for measuring the concentration of fine dust for many years have proven themselves. In the case of such measurements, the knowledge is used that with fine dusts the intensity of the scattered light is proportional to the dust concentration. However, the scattered light intensity depends not only on the concentration of the particles, but in particular on the size of the particles. If such a measuring device is now calibrated to a certain particle size and if the particle size changes during a process to be monitored, the calibration and thus the device sensitivity also change, which leads to the display of an incorrect concentration value. With many measurements there is now a risk that such size changes of the particles will not be noticed in time and the device will not be recalibrated.
  • the invention has for its object to provide a method and a device of the type mentioned, which avoid the difficulty mentioned.
  • the method according to the invention is based on the principle that the state of polarization of the light which strikes fine dust is changed by the scattering process and this change is closely linked to the particle size of the fine dust.
  • the grain size of a particulate matter to be measured thus changes over time as a result of changing Process conditions, this can be signaled to the operator immediately and he can recreate the device calibration using a gravimetric measurement. A direct correction of the dust concentration is also possible. If the particle size distribution of the fine dust is known when the device according to the invention is started up, it can be included in the later evaluation as a starting value, which increases the reliability of the method. However, knowledge of the grain size distribution is not a prerequisite for the method according to the invention.
  • the method according to the invention is particularly suitable for fine dusts in which the refractive index and the shape of the particles are known and are constant over time.
  • the method is particularly easy to implement for compact, spherical or approximately spherical particles, but a method is also possible for other particle shapes, for example rods, cuboids or flakes.
  • polarized light is supplied to the fine dust with a polarizer arranged in the primary light beam.
  • the means for measuring the scattered light can have a photomultiplier known per se or another suitable detector.
  • a second polarizer is arranged in the scattered light, which is rotatable and can preferably be locked at different angles.
  • a rotating polarizer is also conceivable.
  • different scattered light intensities are measured, which are proportional to the dust concentration and which contain information about the particle size of the fine dust.
  • a contour line method is particularly suitable for evaluating this information.
  • Other methods are also conceivable, for example an equivalent diameter method.
  • FIG. 1 shows a measuring cell 7 with a medium 8 in which particles 9 of a fine dust are suspended.
  • the medium is preferably a gas stream, but other media, for example a liquid or a solid, are also conceivable.
  • the particles 9 can also be droplets of an oil mist.
  • a primary light beam 4 is directed onto the measuring cell 7, which is transmitted through a light source 1, an optical system 2, an optical filter 3 and a first polarizer 5 is formed.
  • the light source 1 is, for example, a halogen lamp and emits an unpolarized light.
  • the optics 2 known per se bundles the light that strikes the measuring cell 7 in the direction of the arrow 6 after passing through the optical filter 3 and the first polarizer 5.
  • the polarized light is scattered on the particles 9 and is coupled out in the direction of the arrow 11 at a measurement angle 10 of preferably 90 °.
  • the scattered light 18 is focused with optics 12 onto a detector 14.
  • a second polarizer 13 is arranged between the optics 12 and the detector 14.
  • the scattered light intensity can be measured in the detector 14 and corresponding signals can be fed to a computer 15 through a line 19.
  • the computer 15 is connected to a display 17 via a further line 16, for example.
  • the first polarizer 5 is preferably inclined at 45 ° to the X axis, the Z axis being defined here by the light beam.
  • the measuring cell 7 is supplied with polarized light in a defined manner, the horizontal and vertical polarization being the same.
  • the second polarizer 13 is located directly in front of the detector 14, which is a photomultiplier, for example. This second polarizer 13 is rotatable and lockable against the X axis at the angles 90 °, 0 °, 45 ° and 135 °. In these positions of the second polarizer 13, four scattered light intensities I1, I2, I3 and I4 measurable. These measured values are fed to the computer via line 19.
  • An internal program of the computer 15 compares the measured intensities with data calculated using scattering theory and uses this comparison to determine statements, for example, about the grain size.
  • the concentration of the particles 9 in the medium 8 is determined in a manner known per se based on the device calibration. However, if the grain size changes in the course of time as a result of changing process conditions, such a change is determined in the computer 15 and signaled to the operator via the line 16, for example on a display 17. Due to the change displayed, the operator can recreate the device calibration using a gravimetric measurement. A direct correction of the dust concentration is also possible. If the grain size distribution is known when the device is started up, it can be included in the later evaluation as a starting value, which increases the reliability of the method. However, knowledge of the grain size distribution is not a requirement.
  • G. Mie's scattering theory is known for compact, spherical or approximately spherical particles 9.
  • the distribution of the grain sizes is preferably approximately a logarithmic normal distribution, characterized by an average grain size d 0 and a width ⁇ .
  • the four intensities I are proportional to the dust concentration.
  • these intensities I are converted into the polarization ratio p and the linear degree of polarization P lin , which are concentration-independent parameters.
  • these two sizes p and P lin are now directly related to the mean grain size and the width of the distribution.
  • contour line method described below and the equivalent diameter method are suitable for evaluating the two parameters p and P lin mentioned .
  • the contour line method is particularly suitable if the particles 9 are known and the refractive index and the shape are constant. This can be the case, for example, with an oil mist. This procedure enables correction a concentration display with variable grain size and also an explicit determination of an average grain size d 0 and a width ⁇ of the distribution.
  • Contour line diagrams of the two parameters p and P lin serve as the basis for an evaluation, as shown for example in FIG. 3.
  • lines 20 of the same parameter values are shown as contour lines in a surface which is formed from the mean grain size d 0 and the width of the grain size distribution ⁇ .
  • Each point in the contour diagram corresponds to a grain size distribution, characterized by the pair of values d 0 / ⁇ .
  • This diagram has a different shape for each particle type and is calculated, for example, for spherical particles using Mie theory.
  • the required diagrams are stored in the computer 15 and are available to the evaluation software.
  • the values of p and P lin calculated from the intensities I in a manner known per se are transferred by the evaluation software to the corresponding contour lines. Each of the two measured values corresponds to a contour line.
  • the intersection of the contour lines gives the grain size distribution d 0 / ⁇ .
  • the measured values for oil mist from the complete mixed series of paraffin oil-machine oil (Tellus 32) are entered for each station in FIG.
  • the increase in grain size reflects the increase in the viscosity of the mixture.
  • the relationship between the measured scattering intensities I and the grain size can be used to determine the time course of the device sensitivity and to correct the calibration value.
  • the equivalent diameter method is suitable for evaluating the intensities I. This leads to the approximate determination of the average grain size and to an approximate correction of the concentration display.
  • an equivalent grain size is determined from each individual measurement of p and P lin .
  • the equivalent grain size serves as an estimate of the real grain size and differs as little as possible from it. It is essential that it can be used in the same form for p and P lin as well as for the scattered light intensity. This means that within certain limits it replaces the real grain size, which does not have to be known. A better estimate of the real grain size can be obtained if the width ⁇ of the distribution is also known.
  • This measuring method is also based on the principle that the state of polarization of the light that strikes the particles 9 is changed by the scattering process and this change is linked to the grain size. Changes in the grain size can thus be detected and signaled immediately or used for a direct correction. Measurement errors due to undetected process changes can thus be avoided.

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Abstract

The measuring method uses a polarised light beam directed through the dust-loaded air or medium (8), due to the contained suspended particles, with measurement of the dispersed light for indicating the particle concentration. The dispersed light intensity is measured for different polarisation angles. The obtained measured values are used to determine the mean particle size and/or distribution, and for correction of the particle concentration.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Konzentrationsmessung von Feinstaub in einem Medium, mit einer Lichtquelle und Mitteln zum Messen von Streulicht. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Einrichtung zur optischen Konzentrationsmessung von Feinstaub gemäss den Oberbegriffen der Ansprüche 13 und 14.The invention relates to a method for optical concentration measurement of fine dust in a medium, with a light source and means for measuring scattered light. The invention also relates to a device for optical concentration measurement of fine dust according to the preambles of claims 13 and 14.

Ein Verfahren und eine Einrichtung zur optischen Messung von in einem Gas suspendierten Teilchen sind aus der CH-A-536 490 des Anmelders bekanntgeworden. Verfahren und Einrichtungen dieser Art sind insbesondere zur Konzentrationsmessung von Feinstäuben seit vielen Jahren in Betrieb und haben sich an sich bewährt. Bei solchen Messungen wird die Erkenntnis benutzt, dass bei Feinstäuben die Intensität des gestreuten Lichts proportional zur Staubkonzentration ist. Allerdings ist die Streulichtintensität nicht nur von der Konzentration der Teilchen, sondern insbesondere von der Grösse der Teilchen abhängig. Ist nun ein solches Messgerät auf eine bestimmte Teilchengrösse kalibriert und ändert sich bei einem zu überwachenden Prozess die Teilchengrösse, so ändert sich auch die Kalibration und damit die Geräteempfindlichkeit, was zur Anzeige eines falschen Konzentrationswertes führt. Bei vielen Messungen besteht nun die Gefahr, dass solche Grössenänderungen der Teilchen nicht rechtzeitig bemerkt und das Gerät nicht neu kalibriert wird.A method and a device for the optical measurement of particles suspended in a gas have become known from the applicant's CH-A-536 490. Methods and devices of this type have been in operation and in particular for measuring the concentration of fine dust for many years have proven themselves. In the case of such measurements, the knowledge is used that with fine dusts the intensity of the scattered light is proportional to the dust concentration. However, the scattered light intensity depends not only on the concentration of the particles, but in particular on the size of the particles. If such a measuring device is now calibrated to a certain particle size and if the particle size changes during a process to be monitored, the calibration and thus the device sensitivity also change, which leads to the display of an incorrect concentration value. With many measurements there is now a risk that such size changes of the particles will not be noticed in time and the device will not be recalibrated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der genannten Gattung bereitzustellen, welche die genannte Schwierigkeit vermeiden.The invention has for its object to provide a method and a device of the type mentioned, which avoid the difficulty mentioned.

Die Aufgabe ist bei einem erfindungsgemässen Verfahren durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Verfahrensschritte gelöst.The object is achieved in a method according to the invention by the method steps mentioned in the characterizing part of claim 1.

Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf dem Prinzip, dass der Polisationszustand des Lichtes, das auf Feinstaub trifft, durch den Streuprozess verändert wird und diese Veränderung eng mit der Korngrösse des Feinstaubes verknüpft ist. Aendert sich somit die Korngrösse eines zu messenden Feinstaubes im Verlaufe der Zeit infolge sich ändernder Prozessbedingungen, so kann dies dem Betreiber sofort signalisiert werden und er kann die Gerätekalibration durch eine gravimetrische Messung neu erstellen. Eine direkte Korrektur der Staubkonzentration ist ebenfalls möglich. Ist bei der Inbetriebnahme der erfindungsgemässen Einrichtung die Korngrössenverteilung des Feinstaubes bekannt, so kann diese in die spätere Auswertung als Startwert miteinbezogen werden, was die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht. Die Kenntnis die Korngrössenverteilung ist jedoch nicht Bedingung des erfindungsgemässen Verfahrens.The method according to the invention is based on the principle that the state of polarization of the light which strikes fine dust is changed by the scattering process and this change is closely linked to the particle size of the fine dust. The grain size of a particulate matter to be measured thus changes over time as a result of changing Process conditions, this can be signaled to the operator immediately and he can recreate the device calibration using a gravimetric measurement. A direct correction of the dust concentration is also possible. If the particle size distribution of the fine dust is known when the device according to the invention is started up, it can be included in the later evaluation as a starting value, which increases the reliability of the method. However, knowledge of the grain size distribution is not a prerequisite for the method according to the invention.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere für Feinstäube, bei denen der Brechungsindex und die Form der Teilchen bekannt und zeitlich konstant sind. Das Verfahren ist besonders einfach realisierbar für kompakte, kugelförmige oder annähernd kugelförmige Teilchen, jedoch ist ein Verfahren auch für andere Teilchenformen, beispielsweise Stäbchen, Quader oder Flocken möglich.The method according to the invention is particularly suitable for fine dusts in which the refractive index and the shape of the particles are known and are constant over time. The method is particularly easy to implement for compact, spherical or approximately spherical particles, but a method is also possible for other particle shapes, for example rods, cuboids or flakes.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist mit den Einrichtungen gemäss den Ansprüchen 13 und 14 in insbesondere in kontinuierlich arbeitender Weise durchführbar. Bei der bevorzugten Ausführung wird dem Feinstaub mit einem im Primärlichtstrahl angeordneten Polarisator polarisiertes Licht zugeführt. Die Mittel zum Messen des Streulichtes können einen an sich bekannten Photomultiplier oder einen anderen geeigneten Detektor aufweisen. Im Streulicht ist ein zweiter Polarisator angeordnet, der drehbar ist und vorzugsweise in unterschiedlichen Winkeln arretierbar ist.The method according to the invention can be carried out with the devices according to claims 13 and 14, in particular in a continuously working manner. In the preferred embodiment, polarized light is supplied to the fine dust with a polarizer arranged in the primary light beam. The means for measuring the scattered light can have a photomultiplier known per se or another suitable detector. A second polarizer is arranged in the scattered light, which is rotatable and can preferably be locked at different angles.

Denkbar ist aber auch ein rotierender Polarisator. In den vorbestimmten Drehstellungen werden unterschiedliche Streulichtintensitäten gemessen, die proportional zur Staubkonzentration sind und die Informationen über die Korngrösse des Feinstaubes enthalten. Zur Auswertung dieser Informationen eignet sich insbesondere ein Konturlinienverfahren. Denkbar sind auch andere Verfahen, beispielsweise ein Äquivalent-Durchmesser-Verfahren.A rotating polarizer is also conceivable. In the predetermined rotational positions, different scattered light intensities are measured, which are proportional to the dust concentration and which contain information about the particle size of the fine dust. A contour line method is particularly suitable for evaluating this information. Other methods are also conceivable, for example an equivalent diameter method.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erlätert. Es zeigen:

Figur 1
schematisch eine erfindungsgemässe Einrichtung,
Figur 2
schematisch das Messprinzip, und
Figur 3
ein Konturdiagramm.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Figure 1
schematically a device according to the invention,
Figure 2
schematically the measuring principle, and
Figure 3
a contour diagram.

Die Figur 1 zeigt eine Messzelle 7 mit einem Medium 8, in dem Teilchen 9 eines Feinstaubes suspendiert sind. Das Medium ist vorzugsweise ein Gasstrom, denkbar sind jedoch auch andere Medien, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Feststoff. Die Teilchen 9 können auch Tröpfchen eines Oelnebels sein.FIG. 1 shows a measuring cell 7 with a medium 8 in which particles 9 of a fine dust are suspended. The medium is preferably a gas stream, but other media, for example a liquid or a solid, are also conceivable. The particles 9 can also be droplets of an oil mist.

In Richtung des Pfeils 6 ist auf die Messzelle 7 ein Primärlichtstrahl 4 gerichtet, der durch eine Lichtquelle 1, eine Optik 2, einen optischen Filter 3 sowie durch einen ersten Polarisator 5 gebildet wird. Die Lichtquelle 1 ist beispielsweise eine Halogenlampe und gibt ein unpolarisiertes Licht ab. Die an sich bekannte Optik 2 bündelt das Licht, das in Richtung des Pfeils 6 nach dem Durchgang durch den optischen Filter 3 und den ersten Polarisator 5 auf die Messzelle 7 trifft.In the direction of arrow 6, a primary light beam 4 is directed onto the measuring cell 7, which is transmitted through a light source 1, an optical system 2, an optical filter 3 and a first polarizer 5 is formed. The light source 1 is, for example, a halogen lamp and emits an unpolarized light. The optics 2 known per se bundles the light that strikes the measuring cell 7 in the direction of the arrow 6 after passing through the optical filter 3 and the first polarizer 5.

An den Teilchen 9 wird das polarisierte Licht gestreut und in Richtung des Pfeils 11 unter einem Messwinkel 10 von vorzugsweise 90° ausgekoppelt. Das Streulicht 18 wird mit einer Optik 12 auf einen Detektor 14 fokussiert. Zwischen der Optik 12 und dem Detektor 14 ist ein zweiter Polarisator 13 angeordnet. Im Detektor 14 kann die Streulichtintensität gemessen und durch eine Leitung 19 entsprechende Signale einem Rechner 15 zugeführt werden. Der Rechner 15 ist über eine weitere Leitung 16 beispielsweise mit einer Anzeige 17 verbunden.The polarized light is scattered on the particles 9 and is coupled out in the direction of the arrow 11 at a measurement angle 10 of preferably 90 °. The scattered light 18 is focused with optics 12 onto a detector 14. A second polarizer 13 is arranged between the optics 12 and the detector 14. The scattered light intensity can be measured in the detector 14 and corresponding signals can be fed to a computer 15 through a line 19. The computer 15 is connected to a display 17 via a further line 16, for example.

Wie die Figur 2 zeigt, ist der erste Polarisator 5 ist vorzugsweise um 45° gegen die X-Achse geneigt, wobei hier die Z-Achse durch den Lichtstrahl definiert ist. Mit dem ersten Polarisator 5 wird der Messzelle 7 definiert polarisiertes Licht zugeführt, wobei die waagrechte und senkrechte Polarisation gleich sind. Der zweite Polarisator 13 befindet sich direkt vor dem Detektor 14, der beispielsweise ein Photomultiplier ist. Dieser zweite Polarisator 13 ist drehbar und gegen die X-Achse in den Winkeln 90°, 0°, 45° und 135° arretierbar. In diesen Stellungen des zweiten Polarisators 13 sind entsprechend vier Streulichtintensitäten I1, I2, I3 und I4 messbar. Diese Messwerte werden über die Leitung 19 dem Rechner zugeführt. Ein internes Programm des Rechners 15 vergleicht die gemessenen Intensitäten mit streutheoretisch berechneten Daten und ermittelt aus diesem Vergleich Aussagen beispielsweise über die Korngrösse.As FIG. 2 shows, the first polarizer 5 is preferably inclined at 45 ° to the X axis, the Z axis being defined here by the light beam. With the first polarizer 5, the measuring cell 7 is supplied with polarized light in a defined manner, the horizontal and vertical polarization being the same. The second polarizer 13 is located directly in front of the detector 14, which is a photomultiplier, for example. This second polarizer 13 is rotatable and lockable against the X axis at the angles 90 °, 0 °, 45 ° and 135 °. In these positions of the second polarizer 13, four scattered light intensities I1, I2, I3 and I4 measurable. These measured values are fed to the computer via line 19. An internal program of the computer 15 compares the measured intensities with data calculated using scattering theory and uses this comparison to determine statements, for example, about the grain size.

Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.The method according to the invention is explained in more detail below.

Aendern sich während einer Messung die Prozessbedingungen nicht und verbleibt entsprechend die Korngrösse konstant, so wird in ansich bekannter Weise die Konzentration der Teilchen 9 im Medium 8 aufgrund der Gerätekalibration ermittelt. Aendert sich jedoch die Korngrösse im Verlaufe der Zeit infolge sich ändernder Prozessbedingungen, so wird eine solche Aenderung im Rechner 15 ermittelt und über die Leitung 16 beispielsweise auf einer Anzeige 17 dem Betreiber signalisiert. Aufgrund der angezeigten Aenderung kann der Betreiber die Gerätekalibration durch eine gravimetrische Messung neu erstellen. Eine direkte Korrektur der Staubkonzentration ist aber ebenfalls möglich. Ist die Korngrössenverteilung bei Inbetriebnahme der Einrichtung bekannt, so kann sie in die spätere Auswertung als Startwert miteinbezogen werden, was die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht. Die Kenntnis der Korngrössenverteilung ist jedoch nicht Bedingung.If the process conditions do not change during a measurement and the grain size accordingly remains constant, the concentration of the particles 9 in the medium 8 is determined in a manner known per se based on the device calibration. However, if the grain size changes in the course of time as a result of changing process conditions, such a change is determined in the computer 15 and signaled to the operator via the line 16, for example on a display 17. Due to the change displayed, the operator can recreate the device calibration using a gravimetric measurement. A direct correction of the dust concentration is also possible. If the grain size distribution is known when the device is started up, it can be included in the later evaluation as a starting value, which increases the reliability of the method. However, knowledge of the grain size distribution is not a requirement.

Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass die Art der Teilchen 9 und insbesondere deren Brechungsindex und Form während der Messung bekannt ist und für diese Artikelart eine Streutheorie existiert. Für kompakte, kugelförmige oder annähernd kugelförmige Teilchen 9 ist die Streutheorie von G. Mie bekannt. Vorzugsweise ist die Verteilung der Korngrössen annähernd eine logarithmische Normalverteilung, charakterisiert durch eine mittlere Korngrösse d0 und eine Breite σ. σ ist definiert als der natürliche Logarithmus aus dem Verhältnis dmax/d0, wobei dmax die Korngrösse ist, bei der die Verteilung auf 1/√e = 60.65% abgenommen hat.It is assumed below that the type of particles 9 and in particular their refractive index and shape during the measurement is known and a scattering theory exists for this type of article. G. Mie's scattering theory is known for compact, spherical or approximately spherical particles 9. The distribution of the grain sizes is preferably approximately a logarithmic normal distribution, characterized by an average grain size d 0 and a width σ. σ is defined as the natural logarithm from the ratio d max / d 0 , where d max is the grain size at which the distribution has decreased to 1 / √e = 60.65%.

Wie bereits erwähnt, sind die vier Intensitäten I proportional zur Staubkonzentration. Zur Auswertung dieser Intensitäten I werden diese zum Polarisationsverhältnis p und zum linearen Polarisationsgrad Plin, die konzentrationsunabhängige Parameter sind, umgerechnet. Diese beiden Grössen p und Plin stehen nun gemäss der genannten Streutheorie in direktem Zusammenhang mit der mittleren Korngrösse und der Breite der Verteilung.As already mentioned, the four intensities I are proportional to the dust concentration. To evaluate these intensities I, these are converted into the polarization ratio p and the linear degree of polarization P lin , which are concentration-independent parameters. According to the scattering theory mentioned, these two sizes p and P lin are now directly related to the mean grain size and the width of the distribution.

Zur Auswertung der beiden genannten Parameter p und Plin eignet sich je nach Einsatzbedingungen das nachfolgend beschriebene Konturlinienverfahren sowie das Äquivalentdurchmesserverfahren.Depending on the operating conditions, the contour line method described below and the equivalent diameter method are suitable for evaluating the two parameters p and P lin mentioned .

Das Konturlinienverfahren eignet sich vor allem dann, wenn die Teilchen 9 bekannt und der Brechungsindex sowie die Form konstant sind. Dies kann beispielsweise bei einem Oelnebel zutreffen. Dieses Verfahren ermöglicht eine Korrektur einer Konzentrationsanzeige bei variabler Korngrösse und zudem eine explizite Bestimmung einer mittleren Korngrösse d0 und einer Breite σ der Verteilung.The contour line method is particularly suitable if the particles 9 are known and the refractive index and the shape are constant. This can be the case, for example, with an oil mist. This procedure enables correction a concentration display with variable grain size and also an explicit determination of an average grain size d 0 and a width σ of the distribution.

Als Basis für eine Auswertung dienen Konturliniendiagramme der beiden Parameter p und Plin, wie dies beispielsweise die Figur 3 zeigt. In einem solchen Diagramm sind Linien 20 gleicher Paramerwerte als Höhenlinien in einer Fläche dargestellt, die aus der mittleren Korngrösse d0 und der Breite der Korngrössenverteilung σ gebildet wird. Jeder Punkt im Konturdiagramm entspricht einer Korngrössenverteilung, charakterisiert durch das Wertepaar d0/σ. Die Figur 3 zeigt ein kombiniertes Konturdiagramm der beiden Parameter p und Plin für das Gemisch Parafinöl/Maschinenöl (1=1.48).Contour line diagrams of the two parameters p and P lin serve as the basis for an evaluation, as shown for example in FIG. 3. In such a diagram, lines 20 of the same parameter values are shown as contour lines in a surface which is formed from the mean grain size d 0 and the width of the grain size distribution σ. Each point in the contour diagram corresponds to a grain size distribution, characterized by the pair of values d 0 / σ. FIG. 3 shows a combined contour diagram of the two parameters p and P lin for the mixture of paraffin oil / machine oil (1 = 1.48).

Für jede Teilchenart hat dieses Diagramm eine andere Form und wird beispielsweise für kugelförmige Teilchen mit der Mie-Theorie berechnet. Die benötigten Diagramme sind im Rechner 15 gespeichert und stehen der Auswertungssoftware zur Verfügung. Die aus den Intensitäten I in an sich bekannter Weise errechneten Werte von p und Plin werden von der Auswertungssoftware auf die entsprechenden Konturlinien übertragen. Jeder der beiden Messwerte entspricht einer Konturlinie. Der Schnittpunkt der Konturlinien ergibt die gesuchte Korngrössenverteilung d0/σ. Zu jeder Station sind in Figur 3 die Messwerte für Oelnebel aus der vollständigen Mischreihe Paraffinöl-Maschinenöl (Tellus 32) eingetragen.This diagram has a different shape for each particle type and is calculated, for example, for spherical particles using Mie theory. The required diagrams are stored in the computer 15 and are available to the evaluation software. The values of p and P lin calculated from the intensities I in a manner known per se are transferred by the evaluation software to the corresponding contour lines. Each of the two measured values corresponds to a contour line. The intersection of the contour lines gives the grain size distribution d 0 / σ. The measured values for oil mist from the complete mixed series of paraffin oil-machine oil (Tellus 32) are entered for each station in FIG.

Die Zunahme der Korngrösse widerspiegelt die Zunahme der Viskosität des Gemisches.The increase in grain size reflects the increase in the viscosity of the mixture.

Wird nun die Korngrössenverteilung auf diese Weise kontinuierlich gemessen, so lässt sich anhand des Zusammenhangs zwischen den gemessenen Streuintensitäten I und der Korngrösse der zeitliche Verlauf der Geräteempfindlichkeit ermitteln und der Kalibrierwert korrigieren.If the grain size distribution is measured continuously in this way, the relationship between the measured scattering intensities I and the grain size can be used to determine the time course of the device sensitivity and to correct the calibration value.

Bestehen grössere Abweichungen von den obengenannten Voraussetzungen, so eignet sich zur Auswertung der Intensitäten I das Äquivalentdurchmesserverfahren. Dieses führt zur näherungsweisen Bestimmung der mittleren Korngrösse sowie zu einer näherungsweisen Korrektur der Konzentrationsanzeige.If there are major deviations from the above-mentioned requirements, the equivalent diameter method is suitable for evaluating the intensities I. This leads to the approximate determination of the average grain size and to an approximate correction of the concentration display.

Beim Äquivalentdurchmesserverfahren wird aus jeder einzelnen Messung von p und Plin eine äquivalente Korngrösse bestimmt. Die äquivalente Korngrösse dient als Schätzwert für die echte Korngrösse und unterscheidet sich von dieser möglichst wenig. Wesentlich ist, dass sie in der gleichen Form sowohl für p und Plin als auch für die Streulichtintensität verwendet werden kann. Das heisst, sie ersetzt innerhalb gewisser Grenzen die echte Korngrösse, die nicht bekannt sein muss. Einen besseren Schätzwert für die echte Korngrösse erhält man, wenn zusätzlich die Breite σ der Verteilung bekannt ist. Ist der Äquivalentdurchmesser bestimmt, so kann anhand des Zusammenhangs zwischen Streulichtintensität und Äquivalentdurchmesser der zeitliche Verlauf der Gerätempfindlichkeit ermittelt und auf den Kalibrierwert korrigiert werden. Auch dieses Messverfahren beruht somit auf dem Prinzip, dass der Polarisationszustand des Lichtes, das auf die Teilchen 9 trifft, durch den Streuprozess verändert wird und diese Veränderung mit der Korngrösse verknüpft ist. Änderungen der Korngrösse können somit sofort festgestellt und signalisiert oder für eine direkte Korrektur verwendet werden. Messfehler aufgrund von nicht festgestellten Prozessänderungen können damit vermieden werden.In the equivalent diameter method, an equivalent grain size is determined from each individual measurement of p and P lin . The equivalent grain size serves as an estimate of the real grain size and differs as little as possible from it. It is essential that it can be used in the same form for p and P lin as well as for the scattered light intensity. This means that within certain limits it replaces the real grain size, which does not have to be known. A better estimate of the real grain size can be obtained if the width σ of the distribution is also known. Once the equivalent diameter has been determined, the relationship between scattered light intensity can be used and equivalent diameter, the time course of the device sensitivity is determined and corrected for the calibration value. This measuring method is also based on the principle that the state of polarization of the light that strikes the particles 9 is changed by the scattering process and this change is linked to the grain size. Changes in the grain size can thus be detected and signaled immediately or used for a direct correction. Measurement errors due to undetected process changes can thus be avoided.

Claims (15)

Verfahren zur optischen Konzentrationsmessung von Feinstaub (9) in einem Medium (8), mit einer Lichtquelle (1) und Mitteln (14) zum Messen von Streulicht (18), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) dem Staub (9) wird definiert polarisiertes Licht (4) zugeführt, b) im ausgekoppelten Streulicht (18) werden bei unterschiedlichen Polarisationswinkeln (θ) mehrere, insbesondere vier Streulichtintensitäten (I) gemessen, und c) mit Hilfe dieser Streulichtintensitäten (I) wird die Breite der Korngrössenverteilung und/oder die mittlere Korngrösse berechnet, und d) aufgrund der berechneten Breite der Korngrössenverteilung und/oder mittleren Korngrösse wird die Konzentrationsmessung korrigiert oder eine Aenderung angezeigt, insbesondere ein Kalibrierwert korrigiert oder eine Aenderung eines Kalibrierwertes angezeigt. Method for optical concentration measurement of fine dust (9) in a medium (8), with a light source (1) and means (14) for measuring scattered light (18), characterized by the following method steps: a) the dust (9) is supplied with defined polarized light (4), b) in the decoupled scattered light (18) at different polarization angles (θ) several, in particular four, scattered light intensities (I) are measured, and c) the width of the grain size distribution and / or the mean grain size is calculated with the aid of these scattered light intensities (I), and d) the concentration measurement is based on the calculated width of the grain size distribution and / or average grain size corrected or displayed a change, in particular corrected a calibration value or displayed a change in a calibration value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Basis für die Auswertung streutheoretisch berechnete und gespeicherte Daten verwendet werden.A method according to claim 1, characterized in that data calculated and stored based on scattering theory are used as the basis for the evaluation. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrationsunabhängigen Parameter: Polarisationsverhältnis (p) und Polarisationsgrad (Plin) ermittelt werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the concentration-independent parameters: polarization ratio (p) and degree of polarization (P lin ) are determined. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Werte mit den gespeicherten Daten verglichen werden und dass aus diesem Vergleich Aussagen über die Korngrösse ermittelt werden.A method according to claim 2 or 3, characterized in that the measured values are compared with the stored data and that statements about the grain size are determined from this comparison. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Korngrösse diese Änderung angezeigt und die Gerätekalibration neu erstellt wird, beispielsweise mit einer gravimetrischen Messung.Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that when the grain size changes, this change is displayed and the device calibration is recreated, for example with a gravimetric measurement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Korngrösse der ermittelte Staubkonzentrationswert direkt korrigiert wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the determined dust concentration value is corrected directly when the grain size changes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei Inbetriebnahme bekannte Korngrössenverteilung in eine spätere Auswertung als Startwert miteinbezogen wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that a grain size distribution known at start-up is included in a later evaluation as a starting value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Auswertung der gemessenen Intensitäten (I) Konturlinien-Diagramme der beiden Parameter (p und Plin) verwendet werden, wobei in diesen Diagrammen Linien gleicher Parameterwerte als Höhenlinien (20) in einer Fläche dargestellt werden.Method according to one of Claims 1 to 7, characterized in that contour line diagrams of the two parameters (p and P lin ) are used from the evaluation of the measured intensities (I), lines of the same parameter values being used as contour lines (20) in in these diagrams of a surface. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenlinien (20) aus der mittleren Korngrösse (d0) und der Breite der Korngrössenverteilung (σ) gebildet werden.A method according to claim 8, characterized in that the contour lines (20) are formed from the mean grain size (d 0 ) and the width of the grain size distribution (σ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei charakteristische Grössen der Korngrössenverteilung kontinuierlich gemessen werden und anhand des Zusammenhangs zwischen Streuintensität und Korngrösse der zeitliche Verlauf der korngrössenabhängigen Gerätempfindlichkeit ermittelt und der Kalibrierwert korrigiert wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that two characteristic quantities of the grain size distribution are measured continuously and the time course of the grain size-dependent device sensitivity is determined on the basis of the relationship between the scattering intensity and the grain size and the calibration value is corrected. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein linearer Polarisationsgrad (Plin) ermittelt wird.Method according to one of claims 3 to 10, characterized in that a linear degree of polarization (P lin ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Intensitäten (I) zu konzentrationsunabhängigen Parametern (p, Plin) umgerechnet werden.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the measured intensities (I) are converted into concentration-independent parameters (p , P lin ). Einrichtung zur optischen Konzentrationsmessung von Feinstaub in einem Medium (8), insbesondere Gas, mit einer Lichtquelle (1) und einer Optik (2) zum Bilden eines Primärstrahls (4), mit Mitteln (14) zum Messen von am Feinstaub (9) gestreutes Licht (18) und mit Mitteln (15) zum Auswerten der gemessenen Streulichtintensitäten, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärlicht (4) polarisiert ist, dass im Streulicht (18) Mittel (13, 14) vorgesehen sind, mit denen die Veränderung des Polarisationszustandes durch den Streuprozess am Feinstaub (9) messbar ist und dass Mittel (17) zur Korrektur der Konzentrationsmessung aufgrund der gemessenen Veränderung des Polarisationszustandes vorgesehen sind.Device for optical concentration measurement of fine dust in a medium (8), in particular gas, with a light source (1) and optics (2) for forming a primary beam (4), with means (14) for measuring particles scattered on the fine dust (9) Light (18) and with means (15) for evaluating the measured scattered light intensities, characterized in that the primary light (4) is polarized, that means (13, 14) are provided in the scattered light (18) by means of which the change in the state of polarization is caused by the scattering process on the fine dust (9) can be measured and that means (17) are provided for correcting the concentration measurement on the basis of the measured change in the polarization state. Einrichtung zur optischen Konzentrationsmessung von Teilchen (9) in einem Medium (8), mit einer (14) zur Aufnahme von Streulicht (18) und einem Rechner (15) zur Auswertung einer gemessenen Streulichtintensität, dadurch gekennzeichnet, dass im Primärstrahl (4) ein erster und im Streulicht ein zweiter Polarisator (5, 13) angeordnet sind, dass mit dem ersten Polarisator (5) dem zu messenden Medium definiert polarisiertes Licht zuführbar ist, dass der zweite Polarisator (13) drehbar ist, dass der zweite Polarisator (13) in mehreren Winkeln (θ) arretierbar ist, vorzugsweise in den Winkeln 90°, 0°, 45° und 135° und in diesen Winkelstellungen Streulichtintensitäten (I) messbar sind, und mit Mitteln zur Korrektur eines Kalibrierwertes und/oder Anzeige der Änderung eines Kalibrierwertes.Device for optical concentration measurement of particles (9) in a medium (8), with a (14) for receiving scattered light (18) and a computer (15) for evaluating a measured scattered light intensity, characterized in that in the primary beam (4) first and a second polarizer (5, 13) is arranged in the scattered light, that polarized light can be supplied to the medium to be measured in a defined manner with the first polarizer (5), that the second polarizer (13) can be rotated, that the second polarizer (13) can be rotated in Several angles (θ) can be locked, preferably in the angles 90 °, 0 °, 45 ° and 135 ° and in these angular positions scattered light intensities (I) can be measured, and with means for correcting a calibration value and / or displaying the change in a calibration value. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polarisator (5) direkt vor einer Messzelle (7) angeordnet und um 45° gegen die X-Achse geneigt ist, wobei der Lichtstrahl (4) die Z-Achse definiert.Device according to claim 14, characterized in that the first polarizer (5) is arranged directly in front of a measuring cell (7) and is inclined at 45 ° to the X axis, the light beam (4) defining the Z axis.
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